摘 要： 為了挖掘和開發(fā)RFID系統的有效資源，構造更完善的RFID解決方案，提高RFID系統控制的高效性和可靠性是實際應用中的重要環(huán)節(jié)。使用基于模糊技術的自調節(jié)讀取距離的RFID設計方案，針對實際應用中設備的讀寫距離不能滿足設定區(qū)間、無法自動調節(jié)的缺陷,構造一個面向服務的RFID中間件架構，使系統在通用性、高效性和智能性方面得以提升。
關鍵詞： 自調節(jié)；RFID；中間件；模糊技術
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射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。近年來RFID技術被廣泛應用于工業(yè)控制、供應鏈管理、車輛收費管理和移動商務等行業(yè)領域[1]。尤其在物流應用中，智能移動設備可以隨時隨地讀取商品和廣告牌中嵌入的電子標簽，讀取并解析其中的數據，通過Web服務器查找信息，實現在線操作。
1 自調節(jié)器原理框架
目前智能移動設備中設計的多數讀寫器只有一個大致的讀寫區(qū)間，而不是一個準確的讀寫距離[2]。這使得在應用時無法確定其正確的應用場合，并且當發(fā)現讀寫距離不能滿足要求時，必須手動更改，這給應用帶來諸多不便。為此在嵌入式設備上設計了一個基于模糊技術的智能自調節(jié)中間件系統。
自調節(jié)讀取距離的讀寫器工作如下：首先由用戶在讀寫器提供的顯示器界面上輸入要讀取的距離。該距離值送給距離調節(jié)控制體，距離調節(jié)控制體根據輸入距離自動調節(jié)讀寫器的發(fā)射功率，讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送相應頻率的射頻信號。當射頻標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，射頻標簽獲得能量后將自身編碼等信息通過標簽內置發(fā)送天線發(fā)送出去，系統接收天線接收到從射頻標簽發(fā)來的載波信號傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼，然后送到后臺主系統進行相關處理[3]。由輸入電路、距離調節(jié)控制體、執(zhí)行器組成的原理框圖如圖1所示。
距離調節(jié)控制體系包括可調衰減器、衰減器轉角位置傳感器、模糊控制模塊三部分，它們被封裝為一體。執(zhí)行機構由一個直流電機和相關的傳動部件組成。輸入電路用來輸入讀寫器的閱讀距離，距離調節(jié)控制體有正反兩個位置傳感器作為控制可調衰減器轉度的反饋信號調節(jié)點，通過衰減器內部的一對高精度電位器獲得當前轉度下相應的電壓反饋值。該反饋值與可調衰減器轉過的角度成線性變化。執(zhí)行器的電機驅動系統主要采用MSP430單片機、UC3717A芯片完成程序控制調節(jié)控制算法，通過機械傳動來轉動可調衰減器的旋轉按鈕，如圖2所示。
自動調節(jié)讀取距離的讀寫器，使用了S3C44BOX-ARM7芯片，其操作系統內核小、資源占用少、可靠性高；具有多串口和網口，訪問方便。在這樣一個閉環(huán)控制過程中，將用戶需要讀取的距離作為讀寫器輸入，經過鍵盤電路轉化后發(fā)送到模糊控制器。同樣，衰減器轉角的位置傳感器作為反饋信號，經A/D轉換發(fā)送到模糊控制器。兩個信號在模糊控制器中進行比較，并且用模糊控制器裝載模糊規(guī)律進行模糊推理，推理結果發(fā)送到自調節(jié)控制節(jié)點和模糊控制器的執(zhí)行機構，由該節(jié)點的MSP430處理后產生相應的信號給電機驅動芯片UC3717A，輸出驅動信號至電機。
2 中間件設計參數
射頻識別系統的讀寫距離是一個關鍵參數。影響射頻標簽讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻標簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、讀寫器和射頻標簽的耦合度，以及射頻標簽本身獲得的能量及發(fā)射信號的強度等。
在868 MHz、915 MHz、2.45 GHz或者更高頻率的系統中，可采用反向散射調制系統，利用電磁反射完成從電子標簽到讀寫器的數據傳輸[4]。天線的有效輻射功率為PEIRT，其計算公式：
其中，PTX為讀寫器的發(fā)射功率，GTX為讀寫器發(fā)射天線的增益。
在距離讀寫器R處的電子標簽功率密度S為：
R是電子標簽和讀寫器之間的距離。在電子標簽和發(fā)射天線最佳對準和正確極化時，電子標簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比，即：
其中，GTag為電子標簽接收無線增益，λ為波長。電子標簽到讀寫器的能量傳輸中，電子標簽返回的能量與其雷達散射截面σ成正比，該比值是目標反射電磁波能力的測量。散射面取決于一系列的參數[6]，例如目標的大小、形狀、材料、表面結構、波長和極化方向等。電子標簽的返回發(fā)射功率為PBack，其計算公式為：
??? 
??? 其中
，U0為電子標簽天線中感應出的電壓，Rr為電子標簽中天線的輻射電阻。反射的電磁波以球形方式向空間輻射，其輻射功率與輻射源(反射)距離的平方(R2)成正比，最終反射到讀寫器天線的輻射功率密度，即電子標簽返回讀寫器的功率密度為：
??? 
??? 將式(4)代入式(5)中得：
??? 
??? 由式(3)得知電子標簽的有效面積Ae與其增益GTag成正比。對大多數的天線構造形式來說，由于其增益為已知[5]，所以有效面積Ae及其橫截面S在通過天線的阻抗SA 和終端阻抗ZT相等的情況下，有效面積為：
??? 
??? 接收功率為：
??? 
由式(8)得知，如果以接收的電子標簽反射能量為標準，則反向散射的射頻識別系統的作用距離與讀寫器發(fā)射功率的四次方根成正比。即如果想要使電子標簽發(fā)射到讀寫器的輻射功率增加1倍，也即距離增加1倍，則必須使發(fā)射功率在其他條件不變的情況下增加16倍。因此，由上述推算得出，可以通過調節(jié)發(fā)射功率的方式來精確定位讀寫器的閱讀距離。而對于發(fā)射功率的調節(jié)，只需對衰減器進行調節(jié)。但上述推導過程的計算比較復雜，不利于調節(jié)控制。
3 精確數學模型控制問題的解決方案
近年來，模糊控制已逐漸發(fā)展成為一門成熟的技術。人們將模糊理論應用于工業(yè)過程控制、醫(yī)學、地震預報、工程設計、信息處理以及經濟管理等領域。模糊控制是以模糊數學為工具，將善于處理模糊概念的人腦思維方法體現出來，并做出正確判斷[7]。模糊控制最適宜用于難以用精確的數學模型來表達的控制系統，因此可利用模糊數學的方法解決上述問題。
首先對讀寫器的閱讀距離進行模糊劃分和定義，取模擬量Ai，令模糊集D={A1，A2，…}；其次對衰減器轉過的角度進行模糊劃分和定義，取模擬量Bi，令模糊集α={B1，B2，…}，建立模糊推理規(guī)則if(D=Ai) then (α=Bi)，i=1，2，…。通過上述模糊推理規(guī)則，可以計算得出衰減器調節(jié)轉動角度的模擬量，從而達到自動調節(jié)距離的目的。
例如把衰減器轉過的角度和讀寫器能閱讀到的距離作一個模糊劃分：0°～15°表示距離為15 m，15°～30°表示距離為30 m，30°～50°表示距離為50 m，50°～80°表示距離為80 m，80°～100°表示距離為100 m。衰減器轉角偏差eθ，衰減器轉角偏差變化率Δeθ和控制角α分成5個模糊量。eθ、Δeθ、α={NS(減小)，PS(稍減小)，Z(正好)，PB(稍增大)，NB(增大)}。距離遞增時，衰減器在順時針方向角度增大；距離遞減時，衰減器在逆時針方向角度減小。表1參數所示為距離遞增的模糊推理規(guī)則。
由于單片機控制程序中寫入了模糊調節(jié)算法，因此其成本降低，易于修改。而此前設計的系統沒有模糊控制模塊，盡管框架設計簡單，但實際使用只能在某一固定區(qū)域內讀取標簽，用戶不能任意調節(jié)和改變。如果要增大閱讀距離，則需重新設計，這增加了開發(fā)周期，加大了開發(fā)成本。加入模糊控制，不僅可以方便用戶根據自己的應用要求輸入距離值，由讀寫器的自動調節(jié)模塊調整距離，而且有效縮短了開發(fā)周期并節(jié)約了成本。模糊控制模塊大大提高了讀寫器的智能性和高效性，從而提升了RFID在各領域的實施應用功能。
參考文獻
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[2] 劉鋒. RFID技術及RFID天線分析.RFID技術與應用，2006，1(5).
[3] Melanie R.Rieback bruno crispo andrew S.Tanenbaum.Is?your cat infected with a computer Virus?.http://rfidvirus.org/papers/percom.06.pdf.
[4] 吳曉峰，陳大才.射頻識別技術(第三版).北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[5] 辛明俠.基于RFID和手機的移動計算技術的應用研究.中國學位論文數據庫，2006.
[6] YANG G，JARVENPAA S L.Trust and radio frequency identification(RFID) adoption within an alliance[J].Proceedings of the 38th Hawaii international conference on system?sciences，2005：1-10.
[7] 游戰(zhàn)清，李蘇劍，張益強，等.射頻識別(RFID)技術理論與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.